CN101556043A - 用于在燃气涡轮发动机内混合空气和燃气的燃烧管预混合器和方法 - Google Patents

用于在燃气涡轮发动机内混合空气和燃气的燃烧管预混合器和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在燃气涡轮发动机内混合空气和燃气的燃烧管预混合器和方法。用于在燃气涡轮发动机内使用的燃烧器包括具有输入端和输出端的燃烧管；在燃烧管内形成且设置用于将气流切向地引入燃烧管内并向气流施加涡旋的多个槽；沿燃烧管轴向延伸的多条燃料通道；以及设置用于每一条燃料通道的多个燃料喷射孔。每一条燃料通道的燃料喷射孔中至少有一个被设置用于在相邻槽的气流之间将燃料流切向地喷入燃烧管内以形成燃料和空气的协流。一种在燃气涡轮机的燃烧器内混合空气和燃料的方法包括将气流通过槽切向地引入燃烧管内并向气流施加涡旋；和在相邻槽的气流之间喷入燃料以形成燃料和空气的协流。这样消除了可能会导致稳焰的交叉射流。

Description

用于在燃气涡轮发动机内混合空气和燃气的燃烧管预混合器和方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机燃烧室的空气燃料混合器，以及一种用于混合空气和燃料的方法。
背景技术
燃气涡轮机制造商一直致力于各种研究和工程项目以生产出能够高效运行而不产生不良空气污染排放物的新型燃气涡轮机。通常由燃烧常规烃类燃料的燃气涡轮机产生的主要空气污染排放物是氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的烃类。喷气发动机中氮分子的氧化高度地依赖于燃烧系统反应区域内最高的热燃气温度。形成氮氧化物(NOx)的化学反应速率是温度的指数函数。如果燃烧室热燃气的温度被控制到足够低的水平，那么就不会产生热NOx。
一种将燃烧室反应区域内的温度控制在产生热NOx的水平之下的方法是在燃烧之前将燃料和空气预混合为贫混合物。存在于贫预混合燃烧室反应区域内的过量空气的热质量吸收热量并将燃烧产物的温升降低到不会产生热NOx的水平。
用燃料和空气的贫预混合方式运行的于性低排放燃烧室有一些问题，其中在位于燃烧室反应区域以外的燃烧室的预混合区域内存在有空气燃料可燃混合物。由于回火或自燃，在预混合区域内会有发生燃烧的趋势，回火会在来自燃烧室反应区域的火焰传播至预混合区域内并导致火焰滞留在燃料喷射柱(交叉射流)或叶片尾缘后的尾流内时发生；自燃会在燃料/空气混合物在预混合区域内的驻留时间和温度足以在不需点火器启动的情况下燃烧时发生。在预混合区域内燃烧的后果是排放物性能下降和/或过热，并对通常未被设计成承受燃烧热量的预混合区域造成损害。因此，一个需要解决的问题就是防止在预混合器中导致燃烧的回火或自燃。
另外，离开预混合器并进入燃烧室反应区域的燃料和空气的混合物必须非常均质以达到所需的排放性能。如果流场中存在燃料/空气混合物浓度明显富于平均值的区域，那么这些区域内的燃烧产物就会达到高于平均值的温度，并会产生热NOx。这样可能会导致无法满足取决于温度和驻留时间的组合的NOx排放指标。如果流场中存在燃料/空气混合物浓度明显贫于平均值的区域，那么可能会发生熄火而无法将烃类和/或一氧化碳氧化至均衡水平。这样可能会导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烧烃类(UHC)的排放指标。因此，另一个需要解决的问题是生成一种离开预混合器时的燃料/空气混合物浓度分布，其足够均质以满足排放物性能指标。
更进一步，为了满足在各种应用中对燃气涡轮机规定的排放物性能指标，有必要将燃料/空气混合物浓度降至绝大多数烃类燃料的贫可燃性限制附近的水平。这样就会导致火焰传播速度以及排放量的降低。由此，贫预混合燃烧室与更加常规的扩散火焰型燃烧室相比倾向于更加不稳定，并且经常会导致高度燃烧造成的动态压力波动(动态性能)。动态性能可能具有不利的影响，例如由于磨损或疲劳、回火或爆缸造成燃烧室和涡轮机硬件受损。因此，另一个要解决的问题就是将燃烧室动态性能控制到可以接受的低水平。
为了减少排放物的贫、预混合燃料喷射器在工业领域广泛使用，已经在重型工业燃气涡轮机中付诸实施长达20多年。美国专利5259184中介绍了此类装置的一个代表性示例。此类装置在减少燃气涡轮机废气排放的领域内已经取得了进展。相对于现有技术中的扩散火焰燃烧室，将氮氧化物、NOx、排放物减少一个或更多个数量级已经实现且无需使用注入的稀释液例如蒸汽或水。
然而如上所述，这些在排放性能方面的进步是在会引起一些问题的风险下实现的。特别地，在装置预混合区域内的回火和稳焰会导致排放性能降级和/或因过热造成的硬件损害。此外，升高级别的燃烧引起的动态压力作用会导致燃烧系统部件和/或其他燃气涡轮机部件因磨损或高周疲劳失效而缩短有效寿命。更进一步，为了避免引起高水平动态压力作用、回火或爆缸的情况，增加了燃气涡轮机操作的复杂性和/或有必要对燃气涡轮机实施操作限制。
除了这些问题之外，常规的贫预混合燃烧室没有利用完全均质的燃料和空气的预混合来尽可能地实现排放物减少的最大化。
发明内容
根据本发明的一个实施例，用于在燃气涡轮发动机内使用的燃烧器包括：具有输入端和输出端的燃烧管；多个槽，所述多个槽在燃烧管内形成且设置用于将气流切向地引入燃烧管内并向气流施加涡旋；沿燃烧管轴向延伸的多条燃料通道；以及为每一条燃料通道设置的多个燃料喷射孔。每一条燃料通道的燃料喷射孔中至少有一个被设置用于将燃料流切向地喷入燃烧管内相邻槽的气流之间以形成燃料和空气的协流(co-flow)。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种在燃气涡轮机的燃烧器内混合空气和燃料的方法。燃烧器包括燃烧管，燃烧管包括在燃烧管内形成的多个槽。该方法包括将气流通过槽切向地引入燃烧管并向气流施加涡旋；和在相邻槽的气流之间喷入燃料以形成燃料和空气的协流。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的燃烧器的透视图；
图2示意性地示出了图1中的燃烧器沿2-2的截面图；
图3示意性地示出了图1中的燃烧器沿3-3的截面图。
具体实施方式
参照图1-3，燃烧器2包括具有输入端6和输出端8的燃烧管4。法兰10被设置在燃烧管4上，用于将燃烧器2安装到燃气涡轮发动机内。应该理解法兰10可以和燃烧管4一起整体形成，或者也可以单独设置。还应该理解可以为燃烧器2设置其他的安装装置。
在燃烧管4内形成有多个槽12。空气通过槽12被切向地引入燃烧管4内。每个槽12都具有螺旋或涡旋式结构用于向进入槽12的燃烧空气施加涡旋。如图2所示，燃烧管4包括沿燃烧管4轴向延伸的多条燃料通道14。多个燃料喷射孔16被设置用于将燃料从燃料通道14切向地喷入燃烧管4内。燃料通道14在燃烧管4内的外壁36和内壁30之间形成。
参照图2和图3，燃烧管4内设置有会聚的中心体18，用于沿燃烧管4的轴线使空气和燃料的混合物加速并保持中心体18表面没有流动分离。中心体18具有与燃烧管4的输出端8相邻的中心体顶端32。中心体18也包括通道20，用于允许净化空气流过中心体18以防止在中心体18内例如在中心体顶端32处出现稳焰。
参照图3，每个槽12都有与燃烧管4的轴线34成切向的槽端部22，用于最小化空气和燃料混合中的干扰。如图2所示，喷入的燃料24被夹在来自槽12的气流26和来自另一个槽12的气流28之间。喷入的燃料24与气流26，28协流并被阻止与燃烧管4的内壁30接触。这样就可以消除可能会导致稳焰的交叉射流。切向地进入的燃料和空气的协流层随后轴向往下流动并迅速混合和倾倒到燃烧器内用于稳定的预混合燃烧。
燃料和空气的协流24、26、28径向地进入燃烧管4。协流24、26、28的径向进入在燃烧管4内不会产生尾流区域并且可以消除任何潜在的稳焰点。径向的燃料和空气协流24、26、28也可以提供轴向涡流阻断以确保燃料和空气混合良好。槽端部22被设置用于允许气流26、28与燃烧管轴线34成切向并径向地进入燃烧管4。中心体18防止在燃烧管4中心处的回火并稳定中心体顶端32附近的火焰。
燃烧器2具有简单的几何形状且可以低成本地生产。燃烧器2还提供了高效率和低排放。燃烧管4的内壁30也可以通过纯净空气或空气净化得到保护。燃烧器2也提供较低的空气和燃料压降，且轴向渐进的燃料喷射避免了动态性能。燃烧器2也可用于高氢燃料和合成气。
槽12的长度和宽度，燃料喷射孔16的数量，燃料喷射孔16的直径，燃料喷射孔16的位置以及中心体18的表面形状都可以利用计算流体力学(CFD)进行设计，以提供理想的、或增强的空气/燃料混合并避免燃烧器内的自燃和稳焰。还应该理解，尽管燃烧器被图示为包括例如四个槽，但是也可以设置任意数量的多个槽。
尽管已经结合目前被认为最实用和优选的实施例对本发明进行了介绍，但是应该理解本发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的实质和保护范围内的各种变形和等价装置。
附图标记列表
燃烧器：2
燃烧管：4
输入端：6
输出端：8
法兰：10
槽：12
燃料通道：14
燃料喷射孔：16
中心体：18
中心通道：20
槽端部：22
喷入的燃料：24
气流：26
气流：28
(内)壁：30
中心体顶端：32
轴：34
(外)壁：36

Claims (10)

1、一种用于在燃气涡轮发动机内使用的燃烧器(2)，包括：
具有输入端(6)和输出端(8)的燃烧管(4)；
多个槽(12)，所述多个槽(12)在所述燃烧管(4)内形成且设置用于将气流(26，28)切向地引入所述燃烧管(4)内并向所述气流(26，28)施加涡旋；
沿所述燃烧管(4)轴向延伸的多条燃料通道(14)；以及
为每一条燃料通道(14)设置的多个燃料喷射孔(16)，其中每一条燃料通道的所述燃料喷射孔(16)中的至少一个被设置成在相邻槽(12)的气流(26，28)之间将燃料流(24)切向地喷入所述燃烧管(4)内以形成燃料和空气的协流。
2、如权利要求1所述的燃烧器，还包括同轴地设置在所述燃烧管(4)内所述输入端(6)和所述输出端(8)之间的中心体(18)。
3、如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述中心体(18)从所述输入端(6)向所述输出端(8)会聚。
4、如权利要求2或3所述的燃烧器，其中，所述中心体(18)包括中心通道(20)。
5、如权利要求1至4中任意一项所述的燃烧器，其中，每个槽(12)都包括相对于所述燃烧管(4)的轴线切向和/或径向引导所述气流(26，28)的槽端部(22)。
6、如权利要求1至5中任意一项所述的燃烧器，其中，每条燃料通道(14)都在所述燃烧管(4)的外壁(36)和内壁(30)之间形成。
7、一种在燃气涡轮机的燃烧器(2)内混合空气和燃料的方法，所述燃烧器(2)包括燃烧管(4)，所述燃烧管(4)包括在燃烧管(4)内形成的多个槽(12)，所述方法包括：
将气流(26，28)通过所述槽(12)切向地引入所述燃烧管(4)内并向所述气流(26，28)施加涡旋；和
在相邻槽(12)的气流(26，28)之间喷入燃料(24)以形成燃料和空气的协流。
8、如权利要求7所述的方法，其中，喷入所述燃料包括将所述燃料(24)切向地喷入所述燃烧管(4)内。
9、如权利要求7或8所述的方法，还包括在所述槽(12)的端部(22)相对于所述燃烧管轴线切向和/或径向地喷射气流。
10、如权利要求7至9中任意一项所述的方法，还包括通过所述燃烧管沿同轴地设置在所述燃烧管(4)内的中心体(18)加速所述协流。
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